Der Elektromotor bildet als elektro-mechanischer Energiewandler den Kern des Antriebssystems

Energieeffizientes Moment aus der Reluktanz

Infolge der zurückgedrängten Gleichstrommaschine GM übernehmen nun Bewegungs- oder Stellaufgaben im gesamten Leistungsbereich fast ausschließlich Wechsel-/Drehstrommotoren.

Bild 1a - synchrone RM (mit verteilter Ständerwicklung)

Dazu zählen Asynchron- (ASM), fremd- und permanenterregte Synchron- (FSM beziehungsweise PMSM, für kleine Leistungen mit besonders hohem Leistungsgewicht als Außenläufer; DGSM) sowie seit geraumer Zeit magnetfreie Reluktanzmaschinen RM. Die Energieeffizienz dieser Typen steigt in der genannten Reihenfolge. Wurde der Einsatz der PMSM durch Fortschritte bei Magnetmaterialien (seltene Erden) beflügelt, führte ihre Verknappung, die politische Unsicherheit in den Lieferländern zur Renaissance des Reluktanzprinzips.

Gehören ASM, FSM/PMSM/DGSM sowie GM zur großen, ein elektrodynamisches Drehmoment erzeugenden Maschinengruppe, nutzt die robustere RM einen Mechanismus, der direkter an die Eigenschaften des Magnetkreises gebunden ist. Daraus folgen vorteilhafte Betriebseigenschaften, ebenso technologische Vorzüge für ihre Produktion. Zwei Varianten, die synchrone RM und die SRM, existieren (Bild 1 a+b).

Funktionsprinzip
Damit ein Energieumsatz über den Luftspalt überhaupt erfolgen kann, muss sich mindestens eine der Induktivitäten von Ständer oder Läufer mit der Bewegung ändern. Abweichend von den klassischen Bauformen entsteht eine solche variable Induktivität auch mit den gezeigten Konstruktionen. Dem bewickelten, rotationssymmetrischen Ständer steht ein unbewickelter, genuteter, weichmagnetischer, massiver oder geblechter Rotor gegenüber.

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Die verteilte Statorwicklung erzeugt ein Drehfeld, dem der Rotor schlupffrei folgt. Mit der Drehbewegung ändert sich die Ständerinduktivität wegen der Schwankung des Widerstandes des Magnetflusses (Reluktanz) zwischen Stator und Rotor. So wird der Läufer vom Ständer aus magnetisiert. Das Reluktanzmoment in der statorerregten, synchron rotierenden Maschine entsteht. Als Reaktionsmoment zieht es den Läufer immer in die Position mit der geringsten Reluktanz.

Bei der SRM, gekennzeichnet durch Zahnung beider Maschinenteile mit unterschiedlicher Polzahl, sorgt ein Gleichstromsteller für die Bestromung der Wicklungen. Das kontinuierliche Weiterschalten von Wicklung zu Wicklung zieht den Läufer immer in die Vorzugrichtung. Dieser Effekt wirkt wie ein Quasi-Drehfeld. Ein Moment entsteht. Weil für die Gleichstromimpulse lediglich eine Richtung benötigt wird, ist die Stromrichtertopologie einfach.

Alle Motoren arbeiten sowohl frequenzgestellt mit einem Umrichter als auch am 50-Hz-Netz. Um überhaupt (asynchron) anlaufen zu können, trägt der geblechte Läufer oft eine Kurzschlusswicklung.

Bekannt ist das Prinzip von der geradlinigen Hubbewegung bei Relais und Schützen, aber auch vom Schrittmotor. Als zweiphasige Ausführung begegnete es bereits als Antrieb konstanter Drehzahl in Büromaschinen, Fonogeräten (P≤ 100 W, n ≤  3000 min-1). In der Vergangenheit diente die RM zudem als Mittelfrequenz-Gleichpol-Generator.

Reluktanzmaschinen
Zahlreiche Anbieter fertigen die Sonderbauform des Synchronmotors (Tabelle 1) im Bereich >< 400 kW–1000 kW.

Zusammen mit einem Umrichter funktioniert die synchrone Version als frequenzgesteuerter Stromrichtermotor (Bild), beispielsweise mit einer rotorlage- oder flussorientierten Regelung ausgerüstet. Ein Hilfskäfig zum Anlaufen erübrigt sich.

Als selbstanlaufende Synchronmaschine wird sie in der Nähe der synchronen Drehzahl selbsttätig in den Synchronismus gezogen wird.

Aufeinander abgestimmter Motor und Umrichter stehen für spezielle Einsatzfälle zur Verfügung. Die durch die geregelte Drehzahlverstellung ohnehin gegebene Energieeinsparung wird durch die erreichbare Klasse IE 4 (Super-Premium-Efficency, Tabelle 2) um mehr als fünf Prozent gesteigert. Insgesamt sinkt mit der RM-Applikation gegenüber einem konventionellen Antrieb ohne elektronische Drehzahlverstellung der Energieverbrauch bis zu 50 Prozent.

Weil der Rotor im Vergleich zu anderen Maschinen besonders einfach konstruiert ist, folgen daraus niedrige Herstellungs- und Wartungskosten bei geringer Trägheit. Allerdings verschlechtert sich der Leistungsfaktor. Die ansteigende Blindleistung kompensiert ggf. der Umrichter.

Anwendungen
In der Hauptsache eignen sich gegenwärtig Pumpen, Lüfter und Applikationen vergleichbarer Anforderungen (Umrichterspeisung mit lagegeberloser DTC-Regelung; Bild). Gegenüber IE 3-Motoren bieten IE 4-RM neben der Verlustsenkung verminderte Betriebskosten (vgl. SuPremE®-Motor von KSB 67227 Frankenthal, www.ksb.com). Speziell gestaltete Kühlrippen erlauben eine montageunabhängige Selbstkühlung (Bild).

RM passen besonders gut in von einem einzigen Netzstromrichter gespeiste, parallel drehzahlsynchron arbeitende Mehrmotorensysteme (mit gemeinsamen Zwischenkreis und Einzelmotor-Wechselrichter) etwa für die Textilindustrie (www.kaiser-motoren.de/produkte-reluktanzmotoren.htm).

Das Prinzip findet sich außerdem in Kombinationsantrieben, die auf engstem Raum gleichzeitig koordinierte Bewegungen in mehreren Achsen ausführen. Auch Elektro-Fahrzeuge greifen inzwischen auf den Antrieb mit RM zurück.

Joachim Krause


Tabelle 1: Charakteristische Merkmale

  • niedrigere Ständerwicklungstemperatur
  • reduzierter Aufwand zum Belüften
  • fast verlustfreier Rotor
  • höhere Leistungsdichte (gegenüber der ASM kleinere Baugröße bei gleicher Leistung)
  • hohe Dynamik
  • Gleichlauf bei Mehrmotorantrieben
  • geringeres Laufgeräusch
  • höherer Wirkungsgrad (bis IE 4)
  • Explosionsschutz optional
  • Drehzahlen bis >> 3000 min-1
  • kleinere Drehmomentwelligkeit

Tabelle 2: Internationale/EU-Wirkungsgrad- η-Klassen für NS-Motoren (50/60 Hz; 0,75-375 kW; S1... S3 > 80 %; 2-, 4-, 6-polig; gemäß IEC 60034-30:2008, EU-Verordnung 640/2009)

η-Klasse Bezeichnung bevorzugte Bauart
IE 1 bis 0,94 Standard Efficiency asynchron
IE 2 bis 0,95 High Efficiency asynchron
IE 3 bis 0,96 Premium Efficiency synchron
IE 4 bis 0,98 Super-Premium Efficiency PMSM/Reluktanzprinzip
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